Raspberry Pi Zero WをUSB一本でiPhoneとかからいじれるようにする

Twitterに載せたら思ったより検索&拡散されたようなので、初めてQiitaに書いてみる。
#概要

Raspberry Pi Zero W を入手するまで

長らく技適関係が完全でないとして日本で入手しづらかった、Raspberry Pi Zero W。
先週(7月17日)から順次スイッチサイエンスやKSYなどで取扱が始まっている。

自分は結局日本の代理店の解禁タイミングで確保できず、PIMORONIから購入。10日ほどで届いた。
ちゃんと技適表記も更新されていた。

Raspberry Pi Zero Wの特徴

Raspberry Pi Zero/Zero Wは他のRaspberry Piにはない特徴として、起動設定をいじることでUSBネットワークカードとして振る舞い、通信をすることができる。

iPhoneにUSBアダプタ経由でLANアダプタをつなぐと有線LAN接続できるところから
「Raspberry Pi Zero系とiPhoneをつないだら認識されるんじゃね？」
って思ってやってみたら動いた。

※注意点として、iPhoneにUSB-LANアダプタを繋いだ場合、基本的にiPhoneの全ての通信がそちらを経由するようになる。
なので、今回はZero WのWiFiで予めインターネットに繋がるようにしておき、
iPhone -> [USB] -> RPi -> [WiFi] -> インターネット
と通信できるように設定した。

今回はメインで使用してないiPhone 5sで検証。
よく考えたらミニマムにまとめたわりにiPhone1台で外で使おうとすると…

#ステップ

• WiFiなどの初期設定を済ませる
• USBで通信できるように設定。
• USB側に出現するインターフェイスを固定IPにし、DHCPサーバーを動かす
• USB側から来た通信をWiFi側に流すようルーティングする

#用意するもの

• Raspberry Pi Zero W
• 無印Zeroでも一応できるはずだが、iPhoneと繋いだときにインターネットに出れないのでWを推奨
• Lightningコネクタを搭載したiPhone/iPadなど
• iPhone 5sで動作確認
• Apple Lightning - USB 3カメラアダプタ
• 電源供給もできるタイプのカメラアダプタ。DTM用に持ってた。
• 初期設定用のPC、ディスプレイetc.
• USB電源、MicroUSBケーブルなど

設定

まずは普通にHDMIモニタとUSBキーボード等を使ってRaspberry Pi Zero W(以下RPi)の初期設定をした。
今回はRaspbian Jessie Liteを使用。

RPi自身がWiFiでインターネットに繋がるようにしておくのと、Avahiが動作するようにしておく。

Raspberry Pi Zero W、十分な速度出てる😇 pic.twitter.com/0Qlp6Cqssw

— しょうポチ@IT系垢 (@jre209harrison) 2017年7月28日

起動オプション設定

続いて、RPiがUSBネットワークとして振る舞うように設定をする。

/boot/config.txtに

/boot/config.txt

dtoverlay=dwc2

/boot/cmdline.txtの末尾、rootwaitの後に

/boot/cmdline.txt

modules-load=dwc2,g_ether

を追記。

これで起動すると、USBケーブルで接続するだけでネットワークインターフェイスとして認識される。
接続の際は、電源供給用 ではなく 、USB機器接続用のMicro USBコネクタとPCを普通のMicro USBケーブルで接続する。
(Windows 10などでシリアルデバイスとして認識される時があるので、その場合はドライバをあてる)

ネットワークインターフェイスの設定

この状態でRPiを起動すると、 usb0 という名前のネットワークインターフェイスが現れる。
まずはusb0のIPアドレスを固定IPにする。

設定例:

/etc/network/interfaces

auto usb0
iface usb0 inet static
address 192.168.39.1
netmask 255.255.255.0
pre-up iptables-restore < /etc/iptables.ipv4.nat

pre-upの行については後述。

DHCPサーバーの設定

続いて、DHCPサーバーをインストールする。
今回はisc-dhcp-serverを使用。
$ sudo apt-get install isc-dhcp-server

DHCPサーバーの設定に関しては調べると出てくるのでそれを参考に…
インターフェイス usb0 に対してアドレスを振ってくれるように設定。
設定例:

/etc/dhcp/dhcpd.conf

(略)
authorative # コメントアウトを外す
(略)
subnet 192.168.39.0 netmask 255.255.255.0 {
        option routers 192.168.39.1;
        option broadcast-address 192.168.39.255;
        option subnet-mask 255.255.255.0;
        option domain-name "localdomain";
        option domain-name-servers 8.8.8.8;
        default-lease-time 600;
        max-lease-time 7200;
        range 192.168.39.10 192.168.39.20;
}

/etc/default/isc-dhcp-server

(略)
#INTERFACE=""
INTERFACE="usb0"

ルーティングの設定

このあたりは調べて出てきたサイトを参考しました。→Raspberry Piルーター化2

まずはパケットフォワーディングの設定。

/etc/sysctl.conf

(略)
net.ipv4.ip_forward=1 #コメントアウトされているので修正
(略)

続いてルーティング設定。 usb0の通信をwlan0に中継。

$ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -o wlan0 -j MASQUERADE
$ sudo iptables -A FORWARD -i wlan0 -o usb0 -m state --state RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
$ sudo iptables -A FORWARD -i usb0 -o wlan0 -j ACCEPT

ルーティング設定内容を保存
$ sudo sh -c 'iptables-save > /etc/iptables.ipv4.nat'

ネットワーク初期化時にルーティング内容を復元するため、/etc/network/interfacesのusb0の設定の最後に

/etc/network/interfaces

pre-up iptables-restore < /etc/iptables.ipv4.nat

のような形で設定。

ここまで来たらほぼ準備完了。再起動またはシャットダウンします。

動作確認

PC

まずはWindows PCで動作確認をした。
予めPCのWiFiなど他のネットワーク接続は切っておく。

上にも書いたとおり、Raspberry Pi Zero Wの電源供給用ではなく、USB機器をつなぐ方のMicro USB端子とPCをMicro USBケーブルで接続。

USB Ethernet/RNDIS Gadget というネットワークインターフェイスが現れるので、IPアドレスがDHCPで設定した通りに割り振られ、インターネットにも繋がることを確認。

iPhone (iPad)

iPhoneにUSB Adaptorを接続、Lightningケーブルで電源を供給し、USBホスト端子にRPiを接続。
設定アプリにEthernetという項目が出現し、 RNDIS/Ethernet Gadget の設定からIPアドレスが確認できれば準備完了。

Raspberry Pi ZeroがUSB接続NICになることを利用してiPhone(iPad)とつなぐだけの超ミニマルな開発環境できた…
ちゃんと認識してくれた…ロマンあふれる…😇 pic.twitter.com/YrIx0pguu2

— しょうポチ@IT系垢 (@jre209harrison) 2017年7月28日

あとはSSH接続ソフト(Termius等)や設定次第ではVNCクライアントなどをiPhoneに入れておけばPCもモニタも不要でやりたい放題！
RPiのIPアドレスは固定したIPアドレス(192.168.XX.1など)またはBonjour[ホスト名].localでアクセス可能。

ちなみにiPhoneのインターネットへの通信を中継する形になるのでtcpdumpなどでiPhoneからの通信を覗いたりもできる…